QCmax - Lưu lượng thoát lũ lớn nhất Vậy Wmp = 2 Q T 1 , 1 Q 2 T T mp mp mp đ mp WCmax = 2 1 TmpQCmax Wtích = Wmp - WCmax Wtích = 2 T Q ) T T ( Qmp mp đ Cmax mp
Cũng như trên từ Wtích ta xác định cao trình mực nước trước cống và so sánh với cao trình mặt đường.
Chương X:
KHO NƯỚC VĂ ĐIỀU TIẾT DÒNG CHẢY
I. KHÁI NIỆM CHUNG
1. Nhiệm vụ của điều tiết dòng chảy:
Dòng chảy sông ngòi phân phối không đều theo không gian và thời gian.
- Trong mùa khô thì thiếu nước không đủ cung cấp cho các hộ dùng nước, trái lại vào mùa mưa thì nước nhiều, không thoát được qua dòng sông tự nhiên, nước chảy tràn sinh lũ lụt.
Điều tiết dòng chảy là dùng công trình thuỷ lợi khống chế sự thay đổi tự nhiên của dòng sông, phân phối lại dòng chảy theo thời gian.
Nhiệm vụ điều tiết dòng chảy là làm tăng lượng nước mùa kiệt, giảm nhỏ lượng nước mùa lũ nhằm phục vụ cho yêu cầu dùng nước.
Điều tiết dòng chảy là nhiệm vụ chính trong công tác quản lý khai thác tài nguyên nước.
- Điều tiết dòng chảy là khâu chính trong công tác quản lý nguồn nước.
2. Phân loại điều tiết dòng chảy:
a. Phân loại theo mục đích:
- Điều tiết dòng chảy phục vụ tưới ruộng:
Căn cứ vào Wyc ~ t mà tính toán lượng nước cần trữ lại ở mùa mưa để dùng cho mùa khô.
- Điều tiết phục vụ phát điện:
Hiệu quả của việc điều tiết biểu thị qua công suất và điện năng, của trạm thuỷ điện. Điều tiết dòng chảy nhằm cung cấp nước cho mùa khô của trạm với mục đich đạt được sự ổn định công suất trạm thuỷ điện
- Điều tiết phục vụ cấp nước:
Căn cứ vào W yêu cầu ~ t (tương đối điều hoà, yêu cầu chất lượng nước cao, tần suất bảo đảm lớn) để tính toán điều tiết.
- Điều tiết phục vụ vận tải thuỷ:
Nhiệm vụ của điều tiết là làm tăng khả năng vận tải sông ngòi. Tăng lưu lượng làm dâng mực nước để bảo đảm độ sâu vận tải của thuyền bè.
- Điều tiết nước phục vụ đẩy mặn:
Mặn xâm nhập vào sông không bảo đảm nước tưới và sinh hoạt, vào mùa khô, cần dự trữ một lượng nước để bổ sung dòng chảy của sông nhằm đẩy mặn ra xa, bảo đảm cửa lấy nước không bị mặn.
- Hồ chứa làm nhiệm vụ phòng lũ hạ lưu:
Hồ chứa có nhiệm vụ trữ lũ để giảm nhẹ lũ ở hạ lưu.
- Điều tiết nước phục vụ lợi dụng tổng hợp:
Thường hồ chứa có nhiệm vụ phục vụ tổng hợp, ngoài việc cung cấp nước cho các ngành, còn có nhiệm vụ phòng lũ cho hạ lưu,...
Để lợi dụng tổng hợp cần giải quyết các vấn đề:
+ Nghiên cứu kỹ các yêu cầu dùng nước để có biện pháp phân phối, giải quyết mâu thuẫn giữa các ngành.
+ Xây dựng kế hoạch quản lý công trình điều tiết dòng chảy. + Phân vốn đầu tư cho các ngành.
b. Phân loại điều tiết theo chu kỳ:
Chu kỳ điều tiết có 2 thời kỳ: - Thời kỳ tích nước, tháo tràn. - Thời kỳ cấp nước.
Dựa vào chu kỳ điều tiết người ta chia ra các hình thức điều tiết sau:
) Điều tiết ngày
) Điều tiết tuần
) Điều tiết năm
) Điều tiết nhiều năm
II. KHO NƯỚC VAÌ CÁC CÔNG TRÌNH ĐẦU MỐI 1. Kho nước:
Kho nước được xây dựng trên sông suối, bằng một đập đất chặn lại; là nơi trữ nước vào mùa mưa để dành sử dụng vào mùa khô cho các yêu cầu dùng nước khác nhau.
Đặc trưng của kho nước là: - Dung tích chết, mực nước chết.
- Dung tích trữ hữu ích dùng cho các ngành, mực nước dâng bình thường.
- Dung tích phòng lũ, mực nước dâng gia cường.
2. Đập chắn nước:
Đập chắn nước là công trình chặn dòng chảy của sông để thực hiện việc trữ nước và dâng mực nước trong hồ chứa. Đập ngăn sông thường là đập đất.
3. Công trình lấy nước:
Công trình lấy nước thường là cống lấy nước tự chảy ngay trong chân đập, hoặc trạm bơm lấy từ hạ lưu.
4. Công trình tháo lũ:
Công trình tháo lũ có nhiệm vụ tháo lượng nước thừa trong mùa lũ, bảo đảm an toàn hồ chứa. Lưu lượng để được tính toán tuỳ theo cấp công trình. Công trình tháo lũ thường là:
- Đập tràn ngay tại đập, có cửa hoặc không cửa (Sông Đà). - Đập tràn ngoài vùng đập (Phú Ninh)
- Cống ngầm, giếng đứng, xi phông..
III. CÁC ĐẶC TRƯNG KHO NƯỚC
Trong kho nước có các đặc trưng sau: - Dung tích chết VC cùng với MNC
- Dung tích hữu ích Vh cùng với MND BT - Dung tích siêu cao VS cùng với MNGC
1. Dung tích chết, mực nước chết:
Dung tích chết VC sẽ ứng với MNC theo đường quan hệ Z ~ V của hồ chứa.
Dung tích chết MNC tuỳ theo yêu cầu các ngành.
MNGC MNDBT MNC Đập đất Vs Vh Vc
- Dung tích chết phải trữ hết lượng bùn cát trong kho nước suốt thời gian sử dụng hồ chứa. Ngoài ra nâng cao cột nước thượng lưu kho nước.
- Đối với kho nước phục vụ tưới yêu cầu phải bảo đảm tưới tự chảy, từ đó xác định VC theo đường đặc trưng Z ~ V, và phải trữ hết dung tích bùn cát trong thời gian sử dụng của hồ chứa.
- Đối với trạm thuỷ điện, mực nước chết phải bảo đảm cột nước H tối thiểu phục vụ cho phát điện. Đối với trạm thuỷ điện nếu chọn MNC thấp thì cột nước phát điện nhỏ làm cho công suất trạm thấp.
- Đối với giao thông thuỷ ở hồ chứa thì mực nước chết phải bảo đảm độ sâu cần thiết cho thuyền bè hoạt động được.
- Đối với nuôi trồng thuỷ sản, MNC trong hồ phải bảo đảm độ sâu, mặt thoáng nuôi trồng.
2. Dung tích hữu ích Vh và MND BT
- Dung tích VC giới hạn bởi MNC và MND BT.
- Dung tích hữ ích là dung tích quan trọng nhất bảo đảm nhiệm vụ điều tiết của hồ chứa. Dung tích hữu ích được xác định bằng phương pháp cân bằng giữa lượng nước yêu cầu của các ngành với lượng nước đến theo tần suất bảo đảm được qui định trong qui phạm. Như vậy dung tích hữu ích Vhi phụ thuộc vào
+ Lượng nước đến Wđến ~ t. + Lượng nước yêu cầu Wy/c~ t. + Hình thức điều tiết.
Sau khi đã xác định Vhi
Từ đường đặc tính xác định MND BT.
3. Dung tích gia cường VS và MNGC:
- Dung tích phòng lũ gọi là dung tích gia cường hoặc dung tích siêu cao (viết tắt là VS). Dung tích phòng lũ Vs là dung tích nằm giữa 2 mực nước MND BT và MNGC, dung tích này chỉ tích nước khi có lũ với mục đích giảm nhỏ công trình xả lũ.
Nếu công trình xả lũ là đường tràn có cửa van khống chế, thì Vs có thể chia làm hai phần:
+ Một phần dung tích nằm dưới MNDBT. + Một phần dung tích nằm trên MNDBT.
Việc xác định VS tiến hành đồng thời với việc xác định công trình tháo lũ.
IV. TAÌI LIỆU CƠ BẢN DÙNG TRONG TÍNH TOÁN KHO NƯỚC 1. Tài liệu thuỷ văn:
Tài liệu thuỷ văn cần cho thiết kế kho nước. - Tình hình địa lý địa hình lưu vực, sông ngòi .
- Đường quá trình lượng nước đến QTK ~ t và WTK ~ t - Đường quá trình lũ thiết kế Qmp ~ t
- Khối lượng bùn cát trunh bình chảy đến hồ chứa trong năm.
2. Tài liệu địa hình:
Chủ yếu là đặc trưng địa hình kho nước cần xây dựng quan hệ giữa diện tích mặt hồ F, dung tích kho nước V với cao tầng nước trong hồ Z.
- Đường đặc tính Z ~ V
Ở đây có mặt nước hồ nằm ngang, thực tế trong mùa lũ, mặt nước hồ có độ dốc, nên cần phải hiệu chỉnh.
V. TỔN THẤT NƯỚC TRONG HỒ CHỨA
Trong hồ chứa nước có 2 loại tổn thất: - Tổn chất bốc hơi.
- Tổn thất thấm.
1. Tổn thất bốc hơi trong kho nước:
Sau khi xây dựng hồ, mặt thoáng của kho nước tăng lên , mà Zn > Zđ nên sau khi xây dựng lượng bốc hơi tăng lên Z.
Z = Zn- Zđ mà Zđ = X - Y
vậy Z = Zn- (X - Y)
Zn- Tính theo lượng quan trắc X - Tính theo các trạm khí tượng Y - Độ sâu dòng chảy Y = X - Hệ số dòng chảy Z K(km2) 130 120 110 2 4 6 8 10 100 200 300 400 500
Để tính toán điều tiết năm thường người ta tính Znăm, sau đó phân phối cho các tháng Ztháng theo dạng phân phối bốc hơi mặt nước.
2. Tổn thất thấm trong kho nước:
Lượng nước thấm phụ thuộc vào: - Điều kiện địa chất lòng hồ. - Lượng nước chứa trong hồ. - Chu vi bờ kho nước.
Lượng nước thấm qua nhiều đường: - Thấm vào lòng kho nước.
- Thấm qua bờ kho nước. - Thấm qua công trình. - Thấm quanh công trình.
Lượng thấm năm đầu trên tương đối lớn trong các năm sau, thường tính bình quân theo điều kiện địa chất. Thường người ta lấy theo % lượng nước chứa trong hồ.
Theo Patapov đề nghị, lượng tổn thất do thấm trong kho nước được tính như sau.
Lượng thấm % của V Lớp nước thấm theo F bình quân
Điều kiện địa chất
lòng hồ Năm Tháng Năm Ngày/đêm
Tốt Trung bình Xấu 5 - 10% 10 - 20% 20 - 30% 0,5 1% 1 ~ 1,5% 1,5 - 3% < 500mm 500 - 1000mm 1000 - 2000mm 1 - 2mm 2 - 3mm 3 - 4mm
VI. SÓNG TRONG KHO NƯỚC
1. Đặc trưng của sóng và yếu tố ảnh hưởng đến sóng:
Dưới tác dụng của gió mặt hồ nổi sóng, diện tích hồ càng lớn thì sóng càng lớn. Sóng nước là một yếu tố để xác định cao trình đỉnh đập, sóng nước trong hồ còn gây ra hiện tượng sạt lở ở bờ hồ chứa.
Các đặc trưng của sóng: - Chiều dài sóng - Chiều cao sóng h - Độ dốc mái sóng d = h - Chênh lệch đầu sóng với mức nước tĩnh A
Kích thước sóng phụ thuộc vào:
- Tốc độ gió V
- Đà gió D (Chiều dài thổi trên mặt nước)
- Thời gian tác dụng của gió T
- Chiều sâu nước hồ H
- Độ nhám lòng hồ n
2. Hình loại sóng:
- Sóng nước sâu: Độ sâu lòng hồ H >
2
1 là sóng nước sâu tức là đáy hồ không ảnh hưởng đến sự hình thành sóng.
- Sóng nước nông: Khi H <
2
3. Tính toán kích thước sóng:
Thường dùng công thức kinh nghiệm
Độ cao sóng: h = 0,0208 4
5
V . 3 1
D (m)
Chiều dài bước sóng = 0,704 2
1
W (m)
Công thức trên dùng cho trường hợp sóng nước sâu: D < 30km và < 2H
Trong trường hợp sóng nước nông cần hiệu chỉnh theo công thức sau: hnông = . hsâu
nông = . sâu phụ thuộc vào tỷ số H h 1 0,8 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 1 1 0,96 0,96 0,96 0,96 0,87 0,87 0,83 0,82 0,78 0,75 0,70 0,64 0,56 0,43
4. Chiều cao sóng leo:
Khi sóng vổ vào công trình, nếu công trình có mái thoải (như đập đất) thì sóng sẽ lan và leo lên mái công trình theo quán tính, gọi
hleo Mực nước tĩnh
Chiều cao hleo tính từ mực nước trong hồ chứa, đều vị trí leo cao nhất của sóng, tính theo công thức sau:
3
leo m h
Kmh 2
h
Km - hệ số phụ thuộc vào độ nhám mái công trình
Mái thật nhẵn Km = 1,0
Mái bêtông Km = 0,9
Mái đá dăm Km = 0,5
Mái đá tảng Km = 0,3
m - mái dốc công trình
h - chiều cao sóng - chiều dài sóng
Theo quy phạm Nga.
hleo = Km . h . h0 h0 = h hleo
ho- phụ thộc vào độ nhám, mái dốc sóng, có bảng tra riêng.
5. Cột nước dênh hd:
Ngoài hiện tượng sóng dưới tác dụng liên tục của gió làm mặt nước lũ nghiêng, nếu có sự chênh lệch cột nước đầu hồ và cuối hồ, đó cột nước dênh hd. hd = K cos gh 3 DV2 (m) K - phụ thuộc vào H có thể lấy K = 6.10-3
VII. BỒI LẮNG Ở KHO NƯỚC
Bồi lắng ở kho nước thường tính bằng phương pháp cân bằng bùn cát. Bùn cát bồi lắng trong suốt thời gian sử dụng công trình.
Wbc = T
100 KRa
(m3)
K - tỷ số bùn cát có khả năng lắng đọng so với toàn bộ bãi cát đến (thường K = 0,7 1,0)
R - Lượng bùn cát bình quân nhiều năm (Kg/năm) T - thời gian phục vụ công trình (năm)
- khối lượng riêng bùn cát (T/m3)
Các tài liệu được dùng cho tính toán điều tiết hồ chứa và thiết kế công trình
Chương XI:
TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT HỒ CHỨA
Trong tính toán điều tiết hồ chứa bao gồm:
- Tính toán điều tiết hồ chứa theo các yêu cầu dùng nước (ta chỉ đi sâu vào điều tiết thường gặp là điều tiết năm phục vụ cấp nước và phương pháp tính toán bằng lập bảng:
- Tính toán điều tiết lũ (Ta chỉ đi sâu vào tính toán tràn xả lũ để bảo vệ công trình hồ chứa làm nhiệm vụ cấp nước, không xem xét nhiệm vụ phòng lũ ở hạ lưu hồ chứa)
I. TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT NĂM CHO HỒ CHỨA CẤP NƯỚC (TƯỚI, SINH HOẠT, CÔNG NGHIỆP)
Khi Wđến năm > Wy/c năm Nhưng Wđến tháng >< Wy/c tháng
Như vậy phải xây dựng hồ chứa để trữ lượng nước của tháng chứa nước để dùng cho những tháng thiếu nước theo yêu cầu. Đó là điều tiết năm.
1. Tài liệu cho tính toán điều tiết:
Tính toán theo thời đoạn tháng.
a. Đường quá trình Wđến~ t với tần suất bảo đảm P (75 - 85%) Phần này qua tính toán thuỷ văn sẽ có được
b. Đường quá trình Wy/c ~ t với tần suất bảo đảm theo quy định của qui phạm.
- Lượng nước yêu cầu tưới ; tính theo mức tưới.
- Lượng nước dùng cho khu công nghiệp theo định mức nước dùng cho sản xuất của các loại hình xí nghiệp
c. Đường đặc tính hồ chứa:
- Đường quan hệ mực nước và dung tích Z ~ V
- Đường quan hệ mực nước và diện tích mặt hồ Z ~ Fhồ
d. Dung tích chết VC:
- Xác định theo khả năng bồi lắng bùn cát trong thời gian sử dụng hoặc theo cao trình yêu cầu tự chảy của khu tưới.
- Từ Zchết tra trên đường quan hệ Z ~ V ta có dung tích chết VC
e. Quá trình tổn thất hồ chứa do bốc hơi và thấm:
2. Xác định dung tích hữu ích của hồ chứa Vh:
Nguyên lý tính toán là cân bằng nước trong kho trong thời gian tính toán t (thường thì t = tháng)
Phương trình cân bằng là:
V = Vđến - vy/c
V - chênh lệch lượng nước trong kho trong thời gian t.
V > 0 Thừa nước
V < 0 Thiếu nước
Từ trên ta sẽ xác định được lương nước cần trữ lại trong kho khi thừa nước để dùng vào thời kỳ thiếu nước.
a. Xác định Vh không xét đến tổn thất:
Tính toán điều tiết mà không xét đến tổn thất là trường hợp đơn giản nhất.
Sau khi cân bằng giữa lượng đến và lượng nước yêu cầu thì trong năm có một thời kỳ thừa nước, một thời kỳ thiếu nước.
Do đó ta chỉ cần điều tiết một lần.
Tính toán điều tiết được tính từ tháng bắt đâud tích nước.
Ví dụ: Tính toán điều tiết cho hồ chứa HC thuộc vùng ven biển Trung Trung Bộ. Đơn vị 166m3 Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Wđ 2,70 2,06 1,86 1,49 0,63 0,62 0,51 0,47 0,70 5,76 5,03 9,24 Wy/c 3,13 2,60 3,38 3,76 3,00 1,62 4,69 2,49 0,63 0,26 2,85 1,44